DE102018200920A1

DE102018200920A1 - electric motor

Info

Publication number: DE102018200920A1
Application number: DE102018200920.1A
Authority: DE
Inventors: Michael Baeuerle; Thomas Fruehschuetz; Udo Sieber; Tobias Kloiber
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-01-22
Filing date: 2018-01-22
Publication date: 2019-07-25
Also published as: WO2019141842A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektromotor (1), insbesondere einen elektronisch kommutierten Motor, umfassend einen Rotor (2) und einen Stator (3), wobei der Rotor (2) und/oder Stator (3) einen Grundkörper (4) aufweist, der mit zumindest einer Antriebswicklung (5) zum Antreiben des Rotors (2) versehen ist, wobei der Rotor (2) und/oder Stator (3) neben der Antriebswicklung (5) zumindest eine von der Antriebswicklung (5) unabhängige Hilfswicklung (6) aufweist, und wobei die Hilfswicklung (6) zur Messung einer induzierten Spannung vorgesehen ist.The present invention relates to an electric motor (1), in particular an electronically commutated motor, comprising a rotor (2) and a stator (3), wherein the rotor (2) and / or stator (3) has a base body (4) with at least one drive winding (5) for driving the rotor (2) is provided, wherein the rotor (2) and / or stator (3) next to the drive winding (5) at least one of the drive winding (5) independent auxiliary winding (6) , and wherein the auxiliary winding (6) is provided for measuring an induced voltage.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektromotor. Bei dem Elektromotor handelt es sich insbesondere um einen elektronisch kommutierten Motor, z.B. um einen bürstenlosen Gleichstrommotor. Außerdem betrifft die Erfindung ein System, umfassend einen Elektromotor und ein Steuergerät für den Elektromotor.The present invention relates to an electric motor. In particular, the electric motor is an electronically commutated motor, e.g. around a brushless DC motor. Moreover, the invention relates to a system comprising an electric motor and a control device for the electric motor.

Aus dem Stand der Technik sind elektronisch kommutierte Motoren, z.B. bürstenlose Gleichstrommotoren bekannt. Bei diesen ist ein Stator mit einer Wicklung versehen, wobei die Wicklung mehrere Phasen bzw. Spulen aufweist. Um den Elektromotor betreiben zu können, müssen die Phasen entsprechend angesteuert werden, um ein Drehfeld zu erzeugen, wobei für das Ansteuern eine aktuelle Lage des Rotors bekannt sein muss. Dies bedeutet, dass eine Kommutierung durchgeführt werden muss, die abhängig von der aktuellen Lage des Rotors ist. Zum Erfassen der aktuellen Lage des Rotors sind Positionssensoren auf Basis physikalischer Effekte bekannt, beispielsweise Hallsensoren, optische Sensoren oder induktive Sensoren. Diese Sensoren benötigen jedoch einen Mindestbauraum, so dass eine Applikation nicht in jedem Fall möglich ist.From the prior art, electronically commutated motors, e.g. brushless DC motors known. In these, a stator is provided with a winding, wherein the winding has a plurality of phases or coils. In order to operate the electric motor, the phases must be controlled accordingly to produce a rotating field, which must be known for driving a current position of the rotor. This means that a commutation must be performed, which is dependent on the current position of the rotor. Position sensors based on physical effects are known for detecting the current position of the rotor, for example Hall sensors, optical sensors or inductive sensors. However, these sensors require a minimum space, so that an application is not possible in every case.

Aus der DE 103 57 504 A1 ist eine Vorrichtung zur Bestimmung der Rotorlage eines Elektromotors bekannt, bei der lediglich ein einziges Sensorelement benötigt wird.From the DE 103 57 504 A1 a device for determining the rotor position of an electric motor is known in which only a single sensor element is needed.

Des Weiteren sind sensorlose Verfahren bekannt, bei denen kein dedizierter Positionssensor vorhanden ist. Hier wird die Position vielmehr anhand von anderen Messgrößen abgeschätzt. So werden oftmals Phasenspannung und/oder Phasenstrom der einzelnen Phasen der Wicklung ausgewertet. Diese Signale sind jedoch meist von Störungen überlagert. Beispielsweise weist die Antriebswicklung einen elektrischen Widerstand auf. Dadurch wird bewirkt, dass eine Messung einer induzierten Spannung an einer Antriebswicklung zur Lageerkennung des Rotors durch den für den Antrieb notwendigen Stromfluss sowie durch eine Temperaturabhängigkeit des inneren Widerstands der Antriebswicklung verfälscht werden kann. Dadurch ergibt sich speziell im unteren Drehzahlbereich eine nicht zuverlässige Ermittlung der Rotorlage, da kein ausreichender Signal-Rausch-Abstand vorhanden ist.Furthermore, sensorless methods are known in which no dedicated position sensor is present. Instead, the position is estimated using other parameters. Thus, phase voltage and / or phase current of the individual phases of the winding are often evaluated. However, these signals are usually superimposed by interference. For example, the drive winding has an electrical resistance. This has the effect that a measurement of an induced voltage on a drive winding for detecting the position of the rotor can be falsified by the current flow necessary for the drive and by a temperature dependence of the internal resistance of the drive winding. This results in an unreliable determination of the rotor position, especially in the lower speed range, since there is no sufficient signal-to-noise ratio.

Aus der DE 100 36 413 A1 ist eine solche Einrichtung zur Positionserfassung eines sensorlosen bürstenlosen Gleichstrommotors bekannt, bei der die Nulldurchgänge der Antriebsspannung der Spulen zur Lageerkennung des Rotors genutzt werden.From the DE 100 36 413 A1 is such a device for detecting the position of a sensorless brushless DC motor, in which the zero crossings of the drive voltage of the coils are used for detecting the position of the rotor.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Der erfindungsgemäße Elektromotor erlaubt ein sicheres und zuverlässiges Erfassen der Rotorlage insbesondere auch in Bereichen mit geringer Drehzahl.The electric motor according to the invention allows a secure and reliable detection of the rotor position, especially in low-speed areas.

Der Elektromotor ist insbesondere ein elektronisch kommutierter Motor, z.B. ein bürstenloser Gleichstrommotor oder eine permanent oder elektrisch erregte Synchronmaschine, und umfasst einen Rotor und einen Stator. Der Rotor und/oder Stator weist einen Grundkörper auf, der mit zumindest einer Antriebswicklung versehen ist. Die Antriebswicklung dient zum Antreiben des Rotors. Vorteilhaft ist vorgesehen, dass der Stator besagten Grundkörper mit der Antriebswicklung umfasst, während der Rotor Permanentmagnete umfassen kann. Beispielsweise sind an dem Rotor Permanentmagnete angeordnet oder der Rotor ist als Permanentmagnet ausgebildet. Ebenso ist möglich, dass der Rotor die Antriebswicklung aufweist, wobei in diesem Fall eine Übertragung der elektrischen Leistung von dem Rotor auf ein stationäres Steuergerät ermöglicht sein muss, beispielsweise über Schleifringe. Durch die Antriebswicklung fließt vorteilhafterweise ein Strom, wobei der Strom magnetische Felder erzeugt, die wiederum zum Antreiben des Rotors verwendet werden. Der Rotor und/oder Stator weist neben der Antriebswicklung zusätzlich zumindest eine von der Antriebswicklung unabhängige Hilfswicklung auf. Die Hilfswicklung ist zur Messung einer induzierten Spannung vorgesehen.The electric motor is in particular an electronically commutated motor, e.g. a brushless DC motor or a permanent or electrically excited synchronous machine, and includes a rotor and a stator. The rotor and / or stator has a base body which is provided with at least one drive winding. The drive winding serves to drive the rotor. Advantageously, it is provided that the stator comprises said main body with the drive winding, while the rotor may comprise permanent magnets. For example, permanent magnets are arranged on the rotor or the rotor is designed as a permanent magnet. It is also possible that the rotor has the drive winding, in which case a transmission of electrical power from the rotor to a stationary control device must be possible, for example via slip rings. Advantageously, a current flows through the drive winding, the current generating magnetic fields, which in turn are used to drive the rotor. In addition to the drive winding, the rotor and / or stator additionally has at least one auxiliary winding independent of the drive winding. The auxiliary winding is provided for measuring an induced voltage.

Der Ausdruck „umfassen“ wird synonym zum Ausdruck „aufweisen“ verwendet.The term "comprise" is used synonymously with the term "comprising".

Insbesondere ist somit ermöglicht, dass unabhängig von der Antriebswicklung eine Rotorlage anhand der induzierten Spannung in der Hilfswicklung festgestellt werden kann. Da die Hilfswicklung von der Antriebswicklung unabhängig ist, finden sich in der Hilfswicklung keine Störgrößen wie in der Antriebswicklung, so dass ein Signal-Rausch-Abstand verbessert, insbesondere vergrößert, ist. Somit ermöglicht die Hilfswicklung, die Rotorlage auch bei niedrigen Drehzahlen sicher und zuverlässig abzuschätzen.In particular, it is thus possible that, independently of the drive winding, a rotor position can be determined on the basis of the induced voltage in the auxiliary winding. Since the auxiliary winding is independent of the drive winding, there are no disturbances in the auxiliary winding as in the drive winding, so that a signal-to-noise ratio is improved, in particular increased. Thus, the auxiliary winding makes it possible to safely and reliably estimate the rotor position even at low speeds.

Unter der Antriebswicklung ist im Rahmen dieser Erfindung die Gesamtheit aller Spulen an dem Rotor oder dem Stator anzusehen, die zu einer Phase verschaltet sind. Insbesondere sind mehrere Phasen vorhanden, sodass mehrere Antriebswicklungen an dem Grundkörper angebracht sind. Die einzelnen Antriebswicklungen können damit als einzelne Phasen des Elektromotors angesteuert werden. Jede Antriebswicklung umfasst zumindest eine Spule, insbesondere mehrere Spulen, wobei jede Spule an einem Zahn oder an mehreren Zähnen des Grundkörpers angebracht ist. Die Spulen können unabhängig voneinander gefertigt werden und an dem Elektromotor nach einem vordefinierten Schema zu der Phase verschaltet sein. In gleicher Weise ist unter einer Hilfswicklung im Rahmen dieser Erfindung die Gesamtheit aller Spulen an dem Rotor oder dem Stator anzusehen, die, insbesondere durch Reihenschaltung und/oder Parallelschaltung, miteinander verschaltet sind, an denen eine induzierte Spannung abgegriffen wird und die nicht zum Antrieb des Rotors beitragen. Es können z.B. zwei Spulen zu einer Hilfswicklung zusammengeschaltet werden, so dass sich das Signal der induzierten Spannung erhöhen lässt und damit auch die Genauigkeit der Bestimmung der Rotorlage, insbesondere bei geringen Drehzahlen.In the context of this invention, the drive winding is to be regarded as the entirety of all the coils on the rotor or the stator which are connected in one phase. In particular, several phases are present, so that a plurality of drive windings are mounted on the main body. The individual drive windings can thus be controlled as individual phases of the electric motor. Each drive winding comprises at least one coil, in particular a plurality of coils, wherein each coil is attached to a tooth or to a plurality of teeth of the base body. The coils can be independent be made of each other and be connected to the electric motor according to a predefined scheme to the phase. In the same way is under an auxiliary winding in the context of this invention, the totality of all coils on the rotor or the stator to be considered, which, in particular by series connection and / or parallel connection, interconnected, at which an induced voltage is tapped and not for driving the Contribute to rotor. For example, two coils can be connected together to form an auxiliary winding, so that the signal of the induced voltage can be increased and thus also the accuracy of the determination of the rotor position, in particular at low speeds.

Der Elektromotor kann z.B. als Bürstenmotor oder als elektronisch kommutierter Motor, z.B. als bürstenloser Gleichstrommotor, ausgebildet sein. Ein elektronisch kommutierter Motor, z.B. bürstenloser Gleichstrommotor oder eine permanent erregte Synchronmaschine, kann z.B. drei Phasen und damit drei Antriebswicklungen umfassen, so dass die gesamte Anzahl der Spulen bevorzugt ein Vielfaches von 3 beträgt. Der Rotor weist vorteilhafterweise keine Wicklung auf, sondern umfasst Permanentmagnete. Er kann z.B. als Permanentmagnet ausgebildet sein. Dadurch ist ermöglicht, dass keine elektrische Energie zwischen dem Rotor und einem feststehenden Element übertragen werden muss. Daher sind die Antriebswicklung und die Hilfswicklung vorteilhafterweise an dem Stator angebracht. Allerdings ist, wie zuvor beschrieben, ebenso möglich, die Antriebswicklung und die Hilfswicklung auch an dem Rotor anzubringen, wenn eine entsprechende Energieübertragung, beispielsweise durch Schleifringe, gewährleistet ist. Unter der Hilfswicklung ist im Rahmen dieser Erfindung eine Spule oder eine Verschaltung von mehreren Spulen zu verstehen, an der bzw. an denen eine Spannung messbar ist.The electric motor may e.g. as a brush motor or as an electronically commutated motor, e.g. be designed as a brushless DC motor. An electronically commutated motor, e.g. brushless DC motor or a permanent magnet synchronous machine may e.g. three phases and thus three drive windings, so that the total number of coils is preferably a multiple of 3. The rotor advantageously has no winding but comprises permanent magnets. He can e.g. be designed as a permanent magnet. This allows no electrical energy to be transferred between the rotor and a stationary member. Therefore, the drive coil and the auxiliary coil are advantageously attached to the stator. However, as described above, it is also possible to mount the drive winding and the auxiliary winding also on the rotor, if a corresponding energy transfer, for example by slip rings, is ensured. In the context of this invention, the auxiliary winding is understood to mean a coil or an interconnection of a plurality of coils at which or at which a voltage can be measured.

Bei einem 3-Phasensystem sind vorteilhafterweise zwei Spulen pro Phase, d.h. pro Antriebswicklung, vorhanden. In diesem Fall sind benachbarte Spulen bevorzugt 60° zueinander versetzt, Spulen, die zu der gleichen Phase/Wicklung gehören sind dann um 180° versetzt. Bei nur einer Spule pro Phase/Wicklung ist der Abstand zwischen den Spulen: 120° (aber jede Spule gehört zu einer anderen Phase/Wicklung). Somit lässt sich ein gleichmäßiges Drehfeld erzeugen, das zum Antrieb des Rotors dient. Ist die Hilfswicklung analog zu der Antriebswicklung gewickelt, so ist dadurch außerdem ein hinreichend genaues Bestimmen oder Abschätzen einer aktuellen Rotorlage ermöglicht.In a 3-phase system, advantageously two coils per phase, i. per drive winding, available. In this case, adjacent coils are preferably offset by 60 ° to each other, coils that belong to the same phase / winding are then offset by 180 °. With only one coil per phase / winding, the distance between the coils is 120 ° (but each coil belongs to a different phase / winding). Thus, a uniform rotating field can be generated, which serves to drive the rotor. If the auxiliary winding is wound analogously to the drive winding, this also makes it possible to determine or estimate a current rotor position with sufficient accuracy.

Grundsätzlich ist es auch möglich, dass lediglich zwei Antriebswicklungen und damit lediglich zwei Phasen vorhanden sind oder auch mehr als drei Antriebswicklungen und damit mehr als drei Phasen.In principle, it is also possible that only two drive windings and thus only two phases are present or more than three drive windings and thus more than three phases.

Die Unteransprüche haben bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.The dependent claims have preferred developments of the invention to the content.

Bevorzugt ist die Hilfswicklung galvanisch von der Antriebswicklung getrennt. Somit ist ein gegenseitiges Beeinflussen von Antriebswicklung und Hilfswicklung verhindert oder zumindest erschwert. Dies ermöglicht insbesondere eine Trennung der Aufgaben von Hilfswicklung und Antriebswicklung, wie zuvor beschrieben, umzusetzen. Somit dient die Antriebswicklung ausschließlich zum Antreiben des Rotors, während mittels der Hilfswicklung eine Rotorlage abgeschätzt bzw. bestimmt werden kann. Daher können die hohen Ströme, die üblicherweise innerhalb der Antriebswicklung fließen, nicht zu Störgrößen führen, die die Schätzung bzw. Bestimmung negativ beeinflussen.The auxiliary winding is preferably galvanically isolated from the drive winding. Thus, a mutual influencing of the drive winding and auxiliary winding is prevented or at least made more difficult. This makes it possible, in particular, to implement a separation of the tasks of the auxiliary winding and the drive winding, as described above. Thus, the drive winding serves exclusively for driving the rotor, while by means of the auxiliary winding, a rotor position can be estimated or determined. Therefore, the high currents that usually flow within the drive winding can not lead to disturbances that adversely affect the estimation.

Bevorzugt sind wenigstens zwei Hilfswicklungen am Stator vorgesehen. Diese Hilfswicklungen sind insbesondere unabhängig voneinander und erlauben somit das Bestimmen der induzierten Spannung an zwei unterschiedlichen Positionen des Stators unabhängig voneinander. Die Hilfswicklungen erlauben somit eine verbesserte Abschätzung bzw. Bestimmung der aktuellen Rotorlage. Es ist vorgesehen, dass zwei zueinander benachbarte Hilfswicklungen in Umfangsrichtung betrachtet bevorzugt um wenigstens 5° oder um wenigstens 15° voneinander beabstandet sind. Somit lässt sich insbesondere ein Raster an Hilfswicklungen bilden, dass ein feines Abtasten von induzierten Spannungen ermöglicht. Dadurch ist ein genaues Abschätzen bzw. Bestimmen der Rotorlage anhand der induzierten Spannung ermöglicht. Zum Auswerten der gemessenen induzierten Spannungen werden vorteilhafterweise mehrere Hilfswicklungen an unterschiedlichen Positionen zusammengeschaltet. Außerdem ist es vorteilhaft für jede Phasenwicklung eine oder mehrere Hilfswicklungen räumlich über den Umfang des Stators zu verteilen. Insbesondere lassen sich einzelne Paare von Hilfswicklungen bilden, wobei beispielsweise ein erstes Paar bezüglich einer Mittelachse des Elektromotors bei 0° und 180°, ein zweites Paar bei 60° und 240° und ein drittes Paar bei 120° und 300° angebracht ist. Somit sind die Paare von Hilfswicklungen gleichmäßig über den Stator oder Rotor verteilt und erlauben somit ein zuverlässiges Erfassen von induzierten Spannungen und ein daraus resultierendes zuverlässiges Abschätzen bzw. Bestimmen einer Rotorlage. Sind zumindest drei Hilfswicklungen vorhanden, kann die Auswertung der gemessenen Spannungen z.B. mit Hilfe der Clarke-Transformation ausgeführt werden.Preferably, at least two auxiliary windings are provided on the stator. In particular, these auxiliary windings are independent of one another and thus permit the induced voltage to be determined independently of one another at two different positions of the stator. The auxiliary windings thus allow an improved estimation or determination of the current rotor position. It is envisaged that two auxiliary windings adjacent to one another are preferably spaced apart by at least 5 ° or at least 15 ° in the circumferential direction. Thus, in particular, a grid of auxiliary windings can be formed, which enables a fine scanning of induced voltages. This makes it possible to accurately estimate or determine the rotor position on the basis of the induced voltage. For evaluating the measured induced voltages advantageously a plurality of auxiliary windings are interconnected at different positions. In addition, it is advantageous for each phase winding to distribute one or more auxiliary windings spatially over the circumference of the stator. In particular, individual pairs of auxiliary windings may be formed, for example, a first pair being mounted at 0 ° and 180 ° with respect to a center axis of the electric motor, a second pair at 60 ° and 240 °, and a third pair at 120 ° and 300 °. Thus, the pairs of auxiliary windings are distributed uniformly over the stator or rotor and thus allow reliable detection of induced voltages and a resulting reliable estimation or determination of a rotor position. If at least three auxiliary windings are present, the evaluation of the measured voltages, e.g. using the Clarke transformation.

Vorteilhafterweise ist der Elektromotor derart ausgebildet, dass der Rotor ausschließlich durch die Antriebswicklung angetrieben wird. Dies bedeutet, dass lediglich durch die Antriebswicklung ein elektrischer Strom fließen muss. Durch die Hilfswicklung muss kein elektrischer Strom fließen. Vielmehr ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass kein elektrischer Strom oder nur ein minimaler elektrischer Strom durch die Hilfswicklung fließt (z.B. beim hochohmigen Abgreifen bzw. Messen der induzierten Spannung), um negative Störeinflüsse eines Stromflusses durch die Hilfswicklung zu vermeiden. Somit wird wiederum die bereits beschriebene Trennung der Aufgaben der einzelnen Wicklungen erreicht. Die zumindest eine Hilfswicklung dient zum reinen Messen einer induzierten Spannung und einem Abschätzen bzw. Bestimmen der Rotorlage, basierend auf der gemessenen Spannung, während die Antriebswicklung allein zum Antreiben des Elektromotors, insbesondere des Rotors, dient. Innerhalb der Antriebswicklung auftretende hohe Ströme haben daher keinen oder nahezu keinen Einfluss auf die Abschätzung bzw. Bestimmung der aktuellen Rotorlage.Advantageously, the electric motor is designed such that the rotor is driven exclusively by the drive winding. This means that only through the drive winding an electric current must flow. Through the auxiliary winding no electric current has to flow. Rather, it is advantageously provided that no electric current or only a minimal electric current flows through the auxiliary winding (eg, when high-impedance tapping or measuring the induced voltage) to avoid negative interference of a current flow through the auxiliary winding. Thus again the already described separation of the tasks of the individual windings is achieved. The at least one auxiliary winding is used for purely measuring an induced voltage and estimating the rotor position, based on the measured voltage, while the drive winding is used solely for driving the electric motor, in particular the rotor. High currents occurring within the drive winding therefore have no or almost no influence on the estimation or determination of the current rotor position.

Der Grundkörper weist vorteilhafterweise mehrere Zahnelemente auf. Die Zahnelemente können z.B. jeweils eine Spule der Antriebswicklung aufnehmen. Beispielsweise nehmen alle Zahnelemente zusammen die gesamte Antriebswicklung auf. Außerdem umfasst der Grundkörper ein Jochelement. Das Jochelement dient zum ringförmigen Verbinden der Zahnelemente. Es ist auch möglich, dass die Antriebswicklung zumindest teilweise auf dem Jochelement angeordnet ist. Jede Hilfswicklung ist entweder an dem Zahnelement oder an dem Jochelement angeordnet. Somit lassen sich optimale Messergebnisse erzielen.The main body advantageously has a plurality of tooth elements. The tooth elements may e.g. each record a coil of the drive winding. For example, all toothed elements together take up the entire drive winding. In addition, the base body comprises a yoke element. The yoke element serves for the annular connection of the tooth elements. It is also possible that the drive winding is arranged at least partially on the yoke element. Each auxiliary winding is arranged either on the toothed element or on the yoke element. Thus, optimal measurement results can be achieved.

Es ist insbesondere vorgesehen, dass sich die Zähne in einer radialen Richtung erstrecken, während das Jochelement in Umlaufrichtung verläuft. Die Radialrichtung und die Umlaufrichtung werden insbesondere basierend auf einer Mittelachse des Elektromotors bestimmt. Die Mittelachse des Elektromotors ist insbesondere eine Mittelachse des Rotors und somit eine Achse, um die sich der Rotor dreht. Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die Hilfswicklung an dem Zahnelement und/oder an dem Jochelement angebracht ist. Hilfswicklungen können sich insbesondere auch an mehreren Zahnelementen und/oder an mehreren Stellen an dem Jochelement befinden. Die genaue Ausgestaltung der Anbringung der zumindest einen Hilfswicklung ist abhängig von einer konkreten Aufbausituation des Elektromotors und von Anforderungen hinsichtlich der Genauigkeit der Schätzung der aktuellen Rotorlage.In particular, it is provided that the teeth extend in a radial direction, while the yoke element extends in the direction of rotation. The radial direction and the circumferential direction are determined in particular based on a center axis of the electric motor. The central axis of the electric motor is in particular a central axis of the rotor and thus an axis about which the rotor rotates. Furthermore, it is preferably provided that the auxiliary winding is attached to the toothed element and / or on the yoke element. Auxiliary windings may in particular also be located on a plurality of toothed elements and / or at a plurality of locations on the yoke element. The exact configuration of the attachment of the at least one auxiliary winding is dependent on a specific construction situation of the electric motor and requirements with regard to the accuracy of the estimate of the current rotor position.

Besonders vorteilhaft befinden sich alle Hilfswicklungen entweder an dem Zahnelement oder an dem Jochelement. Bei einer Anbringung an dem Jochelement ist bei Einzelzahnwicklung genügend Platz für die Hilfswicklung vorhanden und thermisch vorteilhaft, da Spulen sehr heiß werden können. Außerdem ist diese Anbringung selbst bei verteilter Wicklung sehr einfach realisierbar, da keine Überlagerung der Hilfswicklung und Antriebswicklung im Bereich des Wickelkopfes auftritt. Bei einer Anbringung an dem Zahnelement ist die Konstruktion des Jochelements einfacher, da keine Aussparung nötig ist. Eine solche Aussparung ist zur Aufnahme der Wicklung vorteilhaft, da radiale Überstände über den Außendurchmesser des Jochelements wegen der Montage in ein Motorgehäuse bevorzugt vermieden werden sollen. Außerdem ergibt sich eine einfachere Verbindung der Hilfsspulen zu einer Elektronik.Particularly advantageous are all auxiliary windings either on the toothed element or on the yoke element. When mounted on the yoke element, there is sufficient space for the auxiliary winding in single-tooth winding and is thermally advantageous since coils can become very hot. In addition, this attachment is very easy to implement even with distributed winding, since no superimposition of the auxiliary winding and drive winding occurs in the winding head. When mounted on the toothed element, the construction of the yoke element is simpler since no recess is needed. Such a recess is advantageous for receiving the winding, since radial projections over the outer diameter of the yoke element are to be avoided preferably because of the assembly in a motor housing. In addition, a simpler connection of the auxiliary coil results in an electronics.

Die zumindest eine Hilfswicklung ist bevorzugt an einer gleichen Stelle wie zumindest ein Teil der zumindest einen Antriebswicklung an dem Grundkörper angebracht. Die Hilfswicklung ist besonders vorteilhaft über der Antriebswicklung angebracht. Die Antriebswicklung ist vorteilhafterweise an den Zahnelementen wie zuvor beschrieben angebracht. Somit ist die Hilfswicklung vorteilhafterweise ebenfalls an den Zahnelementen angebracht, wobei die Hilfswicklung auf die Antriebswicklung aufgewickelt ist. Dies bedeutet, dass das Zahnelement zunächst mit der Antriebswicklung bewickelt wird, anschließend wird die Antriebswicklung mit der Hilfswicklung bewickelt. Somit befindet sich die Hilfswicklung oberhalb der Antriebswicklung, wodurch die Hilfswicklung nicht durch die Antriebswicklung abgeschirmt wird. Die Hilfswicklung kann somit sicher und zuverlässig eine induzierte Spannung messen, ohne von der Antriebswicklung gestört zu werden.The at least one auxiliary winding is preferably attached to the base body at the same location as at least part of the at least one drive winding. The auxiliary winding is mounted particularly advantageous over the drive winding. The drive winding is advantageously attached to the tooth elements as previously described. Thus, the auxiliary winding is advantageously also attached to the tooth elements, wherein the auxiliary winding is wound onto the drive winding. This means that the toothed element is first wound with the drive winding, then the drive winding is wound with the auxiliary winding. Thus, the auxiliary winding is located above the drive winding, whereby the auxiliary winding is not shielded by the drive winding. The auxiliary winding can thus safely and reliably measure an induced voltage without being disturbed by the drive winding.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass ein Leitungsquerschnitt der Hilfswicklung kleiner als ein Leitungsquerschnitt der Antriebswicklung ist. Unter Leitungsquerschnitt ist derjenige Querschnitt zu verstehen, den ein Draht aufweist, der zur Erzeugung der Antriebswicklung oder der Hilfswicklung gewickelt wurde. Dies bedeutet, dass für die Hilfswicklung ein Draht mit einem geringeren Querschnitt als für die Antriebswicklung verwendet werden kann. Dies ist deshalb möglich, da die Hilfswicklung nicht von großen Strömen durchflossen wird, wie dies bei der Antriebswicklung der Fall ist. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Hilfswicklung von keinem Strom oder nur von einem minimalen, vernachlässigbaren, Strom durchflossen wird (z.B. bei einem hochohmigen Abgreifen der induzierten Spannung, z.B. kann dabei ein Widerstand beim Abgreifen der Spannung ein Mega-Ohm überschreiten). Somit ist ermöglicht, dass der Leitungsquerschnitt der Hilfswicklung kleiner als der Leitungsquerschnitt der Antriebswicklung ist. Besonders bevorzugt ist der Leitungsquerschnitt der Hilfswicklung maximal halb so groß wie der Leitungsquerschnitt der Antriebswicklung. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Leitungsquerschnitt der Hilfswicklung maximal 20% oder maximal 3% oder sogar maximal 1% des Leitungsquerschnitts der Antriebswicklung beträgt. Dadurch können Kosten und Gewicht gespart werden, da ein wesentlich dünnerer Draht ausreichend ist, um die Hilfswicklung auszuführen und dennoch ein ausreichend gutes Signal-Rausch-Verhältnis der induzierten Spannung zu erzielen.It is preferably provided that a line cross section of the auxiliary winding is smaller than a line cross section of the drive winding. The term "wire cross-section" is understood to mean that cross-section which has a wire which has been wound to produce the drive winding or the auxiliary winding. This means that a wire with a smaller cross section than for the drive winding can be used for the auxiliary winding. This is possible because the auxiliary winding is not traversed by large currents, as is the case with the drive winding. In particular, it is provided that the auxiliary winding is traversed by no current or only a minimal, negligible, current (for example, in the case of a high-impedance tapping of the induced voltage, eg a resistance during tapping of the voltage may exceed one mega-ohm). Thus, it is possible that the line cross section of the auxiliary winding is smaller than the line cross section of the drive winding. Particularly preferably, the line cross section of the auxiliary winding is at most half as large as the line cross section of the drive winding. In a particularly preferred embodiment, it is provided that the line cross section of the auxiliary winding amounts to a maximum of 20% or a maximum of 3% or even a maximum of 1% of the line cross section of the drive winding. This can save costs and weight because a much thinner wire is sufficient, to perform the auxiliary winding and still achieve a sufficiently good signal-to-noise ratio of the induced voltage.

Beispielsweise beträgt der Querschnitt der Hilfswicklung maximal 0,5mm², z.B. 0,14mm². Die Antriebswicklung kann dabei z.B. einen Querschnitt zwischen 1 mm² und 100mm², z.B. zwischen 10mm² und 40mm², z.B. 14mm² aufweisen.For example, the cross section of the auxiliary winding is at most 0.5 mm ² , for example, 0.14 mm ² . The drive coil can have for example a cross section of between 1 mm ² and 100 mm ^2, for example between 10mm and 40mm ² ^2, for example 14mm. ²

Eine Windungszahl der Hilfswicklung ist vorteilhafterweise größer als eine Windungszahl der Antriebswicklung. Besonders bevorzugt bezieht sich dies auf eine Stelle, an der Antriebswicklung und Hilfswicklung gleichzeitig vorhanden sind. So ist vorteilhafterweise an einem Zahnelement eine vordefinierte Windungszahl der Antriebswicklung vorhanden, wobei zusätzlich eine weitere vordefinierte Windungsanzahl der Hilfswicklung vorhanden ist, wobei die Windungszahl der Hilfswicklung größer oder gleich ist wie die Windungszahl der Antriebswicklung an dem Zahnelement. Insbesondere ist die Windungszahl der Hilfswicklung wenigstens um den Faktor 5 größer als die Windungszahl der Antriebswicklung. Besonders vorteilhaft ist die Windungszahl der Hilfswicklung wenigstens um den Faktor 10 größer als die Windungszahl der Antriebswicklung. Auf diese Weise lässt sich eine - gerade bei geringer Drehzahl mit einer geringen induzierten Spannung pro Windung der Hilfswicklung - induzierte Spannung in der Hilfswicklung vergrößern, so dass ein ausreichend großes Signal-Rausch-Verhältnis erzielt wird. Im Vergleich zu einer Messung der induzierten Spannung nur an der Antriebswicklung führt dies zu einer höheren induzierten Spannung und somit dazu, dass die Rotorlage auch bei sehr geringen Drehzahlen des Elektromotors sicher und zuverlässig abgeschätzt werden kann.A number of turns of the auxiliary winding is advantageously greater than one turn number of the drive winding. This particularly preferably refers to a location where drive winding and auxiliary winding are present at the same time. Thus, a predefined number of turns of the drive winding is advantageously present on a toothed element, wherein additionally a further predefined number of turns of the auxiliary winding is present, wherein the number of turns of the auxiliary winding is greater than or equal to the number of turns of the drive winding on the toothed element. In particular, the number of turns of the auxiliary winding is at least a factor 5 greater than the number of turns of the drive winding. Particularly advantageous is the number of turns of the auxiliary winding at least by the factor 10 greater than the number of turns of the drive winding. In this way, it is possible to increase a voltage induced in the auxiliary winding, especially at low speed with a low induced voltage per turn of the auxiliary winding, so that a sufficiently large signal-to-noise ratio is achieved. In comparison to a measurement of the induced voltage only at the drive winding, this leads to a higher induced voltage and thus to the fact that the rotor position can be reliably and reliably estimated even at very low rotational speeds of the electric motor.

Insbesondere ist somit ermöglicht, zusammen mit dem zuvor beschriebenen verringerten Leitungsquerschnitt der Hilfswicklung, verglichen mit der Antriebswicklung, mittels der Hilfswicklung dasselbe Volumen wie die Antriebswicklung einzunehmen, wobei hierzu mehr Windungen als bei der Antriebswicklung verwendet werden können mit einem entsprechenden höheren Wert der induzierten Spannung.In particular, it is thus possible, together with the previously described reduced conductor cross-section of the auxiliary winding compared to the drive winding, to occupy the same volume as the drive winding by means of the auxiliary winding, for which purpose more windings than in the drive winding can be used with a corresponding higher value of the induced voltage.

Die Erfindung betrifft außerdem ein System, umfassend einen Elektromotor, wie zuvor beschrieben, und ein Steuergerät. Das Steuergerät ist zur Ermittlung einer Lage des Rotors anhand einer in der Hilfswicklung des Elektromotors induzierten Spannung ausgelegt. Da, wie zuvor beschrieben, die Hilfswicklung einen größeren Signal-Rausch-Abstand ermöglicht als bei Messung mittels der Antriebswicklung, kann das Steuergerät somit optimal eine Rotorlage des Elektromotors abschätzen. Somit ist ein verbessertes Ansteuern einer Kommutierung des Elektromotors ermöglicht. Dies gilt insbesondere für niedrige Drehzahlbereiche, bei denen eine Messung der induzierten Spannung anhand der Antriebswicklung einen sehr geringen Signal-Rausch-Abstand aufweist.The invention also relates to a system comprising an electric motor as described above and a control unit. The control unit is designed to determine a position of the rotor based on a voltage induced in the auxiliary winding of the electric motor. Since, as described above, the auxiliary winding allows a greater signal-to-noise ratio than when measured by means of the drive winding, the control unit can thus optimally estimate a rotor position of the electric motor. Thus, an improved driving a commutation of the electric motor is possible. This is especially true for low speed ranges in which a measurement of the induced voltage on the basis of the drive winding has a very low signal-to-noise ratio.

Vorteilhafterweise ist das Steuergerät ausgebildet, während eines Messens einer in der Hilfswicklung induzierten Spannung die Antriebswicklung zumindest teilweise stromlos zu schalten. Dadurch werden seitens der Antriebswicklung keine Störeinflüsse auf die Hilfswicklung ausgeübt. Es kann somit eine hochwertige Messung der induzierten Spannung vorgenommen werden.Advantageously, the control device is designed to switch the drive winding at least partially de-energized while measuring a voltage induced in the auxiliary winding. As a result, no disturbing influences on the auxiliary winding are exerted by the drive winding. It can thus be made a high-quality measurement of the induced voltage.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine Spannungsmessvorrichtung zum Messen einer elektrischen Spannung an der Hilfswicklung vorhanden bzw. vorgesehen ist. Die Spannungsmessvorrichtung kann insbesondere Teil des Steuergeräts sein. Die Spannungsmessvorrichtung ist insbesondere hochohmig (z.B. größer als 500 Kilo-Ohm oder größer als ein Mega-Ohm oder größer als 10 Mega-Ohm) ausgebildet, wodurch ein in der Hilfswicklung fließender elektrischer Strom minimiert ist. Die Hilfswicklung ist vorteilhafterweise zum Messen der induzierten Spannung vorgesehen. Daher ist jeglicher Stromfluss innerhalb der Hilfswicklung unerwünscht. Somit ist bevorzugt lediglich die Spannungsmessvorrichtung mit der Hilfswicklung gekoppelt, wodurch ein hoher elektrischer Widerstand an die Hilfswicklung angeschlossen ist. Dies führt dazu, dass beim Messen der induzierten Spannung nur ein sehr geringer Ström fließen kann. Somit sind negative Auswirkungen auf die Hilfswicklung und die Messung der induzierten Spannung mittels der Hilfswicklung minimiert oder sogar ausgeschlossen.In a further preferred embodiment it is provided that a voltage measuring device for measuring an electrical voltage on the auxiliary winding is provided or provided. The voltage measuring device may in particular be part of the control unit. In particular, the voltage measuring device is designed to have a high impedance (for example greater than 500 kilo-ohms or greater than a mega-ohm or greater than 10 megohms), whereby an electric current flowing in the auxiliary winding is minimized. The auxiliary winding is advantageously provided for measuring the induced voltage. Therefore, any current flow within the auxiliary winding is undesirable. Thus, preferably only the voltage measuring device is coupled to the auxiliary winding, whereby a high electrical resistance is connected to the auxiliary winding. This results in that only a very small flow can flow when measuring the induced voltage. Thus, negative effects on the auxiliary winding and the measurement of the induced voltage by means of the auxiliary winding are minimized or even excluded.

Das Steuergerät ist vorteilhafterweise eingerichtet, anhand eines Vergleichs einer in der Hilfswicklung induzierten Spannung und einer an der nicht stromlos geschalteten Antriebswicklung messbaren Spannung eine Temperatur innerhalb des Elektromotors zu ermitteln. So ist an der Hilfswicklung lediglich die induzierte Spannung messbar. An der Antriebswicklung hingegen ist eine Spannung messbar, die aus der induzierten Spannung durch das Rotormagnetfeld, des induktiven Spannungsabfalls durch Selbstinduktivität und Koppelinduktivität und dem ohmschen Spannungsabfall über dem Spulenwiderstand resultiert. Der Spulenwiderstand ist der elektrische Widerstand der entsprechenden Phase der Antriebswicklung und somit abhängig von einer Temperatur. Da der Anteil der induzierten Spannung durch das Rotormagnetfeld aufgrund der Hilfswicklung bekannt ist und die übrigen Anteile der induzierten Spannung aufwandsarm ermittelbar oder zumindest abschätzbar sind, kann aus der an der Antriebswicklung gemessenen Spannung der zuvor beschriebene ohmsche Spannungsabfall extrahiert werden. Der durch die Antriebswicklung fließende Strom kann ebenfalls einfach und aufwandsarm ermittelt werden, so dass sich der elektrische Widerstand, den die entsprechende Phase der Antriebswicklung aktuell aufweist, ermittelt werden kann. Dies ermöglicht einen Rückschluss auf eine aktuelle Temperatur der Antriebswicklung und damit eine Temperatur innerhalb des Elektromotors.The control unit is advantageously set up to determine a temperature within the electric motor on the basis of a comparison of a voltage induced in the auxiliary winding and a voltage which can be measured at the non-current-connected drive winding. Thus, only the induced voltage can be measured on the auxiliary winding. On the other hand, a voltage can be measured on the drive winding which results from the induced voltage through the rotor magnetic field, the inductive voltage drop due to self-inductance and coupling inductance and the ohmic voltage drop across the coil resistance. The coil resistance is the electrical resistance of the corresponding phase of the drive winding and thus dependent on a temperature. Since the proportion of the induced voltage is known by the rotor magnetic field due to the auxiliary winding and the remaining portions of the induced voltage can be determined or at least estimated with little effort, can be extracted from the voltage measured at the drive winding of the above-described ohmic voltage drop. The current flowing through the drive winding current can can also be determined easily and with little effort, so that the electrical resistance, which currently has the corresponding phase of the drive winding, can be determined. This allows a conclusion on a current temperature of the drive winding and thus a temperature within the electric motor.

Das Steuergerät ist vorteilhafterweise außerdem dazu ausgebildet, den Elektromotor anzutreiben. Hierzu steuert das Steuergerät z.B. ausschließlich die Antriebswicklung an, um ein Drehfeld zu erzeugen, durch das der Rotor des Elektromotors rotiert wird.The control unit is advantageously also designed to drive the electric motor. For this purpose the control unit controls e.g. only the drive winding to generate a rotating field through which the rotor of the electric motor is rotated.

Figurenlistelist of figures

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung zeigt:

1 schematisch einen Elektromotor gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Hereinafter, embodiments of the invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the drawing shows:

1 schematically an electric motor according to an embodiment of the invention.

Ausführungsform der ErfindungEmbodiment of the invention

1 zeigt schematisch einen Elektromotor 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Elektromotor 1 umfasst einen Rotor 2 und einen Stator 3. Für den Elektromotor 1 ist eine Mittelachse 100 definiert, wobei bezüglich dieser Mittelachse 100 eine Umlaufrichtung UM und eine Radialrichtung R vorhanden ist. Der Rotor 2 weist insbesondere mehrere Permanentmagnete auf. Der Stator 3 weist mehrere Antriebswicklungen 5 auf, wobei durch die Antriebswicklungen 5 im dargestellten Ausführungsbeispiel drei Phasen gebildet sind (grundsätzlich sind auch nur zwei Phasen oder auch mehr als drei Phasen möglich). Jede Antriebswicklung 5 umfasst wiederum zwei Spulen 12a, 12b, 12c. 1 schematically shows an electric motor 1 according to an embodiment of the invention. The electric motor 1 includes a rotor 2 and a stator 3 , For the electric motor 1 is a central axis 100 defined, with respect to this central axis 100 a circulation direction AROUND and a radial direction R is available. The rotor 2 has in particular a plurality of permanent magnets. The stator 3 has several drive windings 5 on, passing through the drive windings 5 in the illustrated embodiment, three phases are formed (in principle, only two phases or more than three phases are possible). Every drive winding 5 again comprises two coils 12a . 12b . 12c ,

So weist eine Antriebswicklung 5 ein Paar von ersten Spulen 12a auf, eine weitere Antriebswicklung 5 weist ein Paar von zweiten Spulen 12b auf, und wiederum eine weitere Antriebswicklung 5 weist ein Paar von dritten Spulen 12c auf. Die einzelnen Spulen 12a, 12b, 12c sind jeweils um 60° in Umlaufrichtung UM betrachtet versetzt an dem Stator 3 angebracht. Der Stator 3 weist dazu eine Vielzahl von Zahnelementen 8 auf, die sich in Radialrichtung R erstrecken. Über ein in Umlaufrichtung UM verlaufendes Jochelement 9 sind ein magnetischer Rückschluss sowie eine mechanische Verbindung der einzelnen Zähne 8 erreicht. Das Jochelement 9 und die Zähne 8 bilden zusammen einen Grundkörper 4 des Stators 3.So has a drive winding 5 a pair of first coils 12a on, another drive winding 5 has a pair of second coils 12b on, and turn another drive winding 5 has a pair of third coils 12c on. The individual coils 12a . 12b . 12c are each around 60 ° in the direction of rotation AROUND considered staggered on the stator 3 appropriate. The stator 3 has a variety of tooth elements 8th on, which extend in the radial direction R. About one in the direction of rotation AROUND extending yoke element 9 are a magnetic inference and a mechanical connection of the individual teeth 8th reached. The yoke element 9 and the teeth 8th together form a basic body 4 of the stator 3 ,

Der Elektromotor 1 ist Teil eines Systems 13 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das System 13 umfasst weiterhin ein Steuergerät 10, wobei das Steuergerät 10 einerseits zum Abschätzen bzw. Bestimmen einer Rotorlage des Rotors 2 und zum Ansteuern der einzelnen Phasen der Antriebswicklung 5 vorgesehen ist. Hierzu ist das Steuergerät 10 mit einer Leistungselektronik 11 verbunden. Die Leistungselektronik 11 dient zum Ansteuern der einzelnen Phasen der Antriebswicklung 5. Die Kommutierung erfolgt hier beispielhaft sensorlos, d.h. ohne Informationen eines Positionssensors, der eine aktuelle Rotorlage des Rotors 2 bestimmt. Vielmehr wird eine Rotorlage des Rotors 2 anhand einer von dem Rotor 2 induzierten Spannung ermittelt.The electric motor 1 is part of a system 13 according to an embodiment of the invention. The system 13 further includes a controller 10 , where the control unit 10 on the one hand for estimating or determining a rotor position of the rotor 2 and for driving the individual phases of the drive winding 5 is provided. This is the control unit 10 with power electronics 11 connected. The power electronics 11 serves to control the individual phases of the drive winding 5 , The commutation takes place here, for example, sensorless, ie without information of a position sensor, the current rotor position of the rotor 2 certainly. Rather, a rotor position of the rotor 2 from one of the rotor 2 induced voltage is determined.

Hierzu ist vorgesehen, dass zumindest eine Hilfswicklung 6 an dem Grundkörper 4 des Stators 3 angebracht ist. In 1 sind zwei Hilfswicklungen 6 gezeigt, wobei jede Hilfswicklung 6 mit einer Spannungsmessvorrichtung 7 gekoppelt ist, die eine induzierte Spannung an der Hilfswicklung 6 ermittelt. Die Spannungsmessvorrichtung 7 ist wiederum zur Signalübertragung mit dem Steuergerät 10 gekoppelt, so dass dem Steuergerät 10 eine induzierte Spannung zur Verfügung steht. Basierend auf dieser von dem Rotor 2 in den Hilfswicklungen 6 induzierten Spannung lässt sich eine aktuelle Rotorlage des Rotors 2 abschätzen.For this purpose, it is provided that at least one auxiliary winding 6 on the body 4 of the stator 3 is appropriate. In 1 are two auxiliary windings 6 shown, with each auxiliary winding 6 with a voltage measuring device 7 which is coupled to an induced voltage on the auxiliary winding 6 determined. The tension measuring device 7 is again for signal transmission to the controller 10 coupled, giving the controller 10 an induced voltage is available. Based on this from the rotor 2 in the auxiliary windings 6 induced voltage allows a current rotor position of the rotor 2 estimated.

In 1 ist beispielhaft gezeigt, dass jede Hilfswicklung 6 entweder über die Antriebswicklung 5 gewickelt ist oder alternativ an dem Jochelement 9 zwischen zwei Zähnen 8 vorhanden ist. Bevorzugt ist vorgesehen, dass je eine Hilfswicklung 6 an jedem Zahnelement 8 des Grundkörpers 4 des Stators 3 angebracht ist und/oder an dem Jochelement 9 zwischen jedem Zahnelement 8 des Grundkörpers 4 des Stators 3. Ist eine Hilfswicklung 6 an dem Zahnelement 8 angebracht, so ist diese Hilfswicklung 6 bevorzugt oberhalb der Antriebswicklung 5 an diesem Zahnelement 8 angeordnet. Dies bedeutet, dass das Zahnelement 8 zunächst mit der Antriebswicklung 5 bewickelt wird, anschließend mit der Hilfswicklung 6. Somit kann die Antriebswicklung 5 die Hilfswicklung 6 nicht abschirmen und/oder bedecken, was zu einer negativen Beeinflussung der Hilfswicklung 6 führen würde. Besonders vorteilhaft befindet sich die Hilfswicklung 6 entweder an dem Zahnelement 8 oder an dem Jochelement 9.In 1 it is shown by way of example that each auxiliary winding 6 either via the drive winding 5 is wound or alternatively on the yoke element 9 between two teeth 8th is available. It is preferably provided that each have an auxiliary winding 6 on each toothed element 8th of the basic body 4 of the stator 3 is attached and / or on the yoke element 9 between each toothed element 8th of the basic body 4 of the stator 3 , Is an auxiliary winding 6 on the toothed element 8th attached, so is this auxiliary winding 6 preferably above the drive winding 5 on this tooth element 8th arranged. This means that the tooth element 8th first with the drive winding 5 is wound, then with the auxiliary winding 6 , Thus, the drive winding 5 the auxiliary winding 6 do not shield and / or cover, resulting in a negative impact on the auxiliary winding 6 would lead. Particularly advantageous is the auxiliary winding 6 either on the toothed element 8th or on the yoke element 9 ,

Im Folgenden wird beispielhaft beschrieben, wie mittels der Hilfswicklungen 6, die an den Zahnelementen 8 vorhanden sind, eine Abschätzung der Rotorlage des Rotors 2 erfolgen kann. Für den Fall, dass Hilfsspulen 6 um das Jochelement gewickelt sind, ist lediglich eine entsprechende Phasenverschiebung zu berücksichtigen.The following describes by way of example how by means of the auxiliary windings 6 attached to the tooth elements 8th are present, an estimate of the rotor position of the rotor 2 can be done. In the event that auxiliary coils 6 are wound around the yoke element, only a corresponding phase shift is taken into account.

In einer ersten Alternative ist ermöglicht, eine Spannung an der Hilfswicklung 6 zu messen. Hierzu wird ein Verfahren angewandt, das einem bekannten Verfahren aus dem Stand der Technik sehr ähnlich ist Der Unterschied ist, dass im Stand der Technik stets die Antriebswicklung 5 selbst zum Messen der induzierten Spannung verwendet wurde. Dieses bekannte Verfahren wird nachfolgend kurz skizziert:In a first alternative, it is possible to apply a voltage to the auxiliary winding 6 to eat. For this purpose, a method is used, which is very similar to a known method of the prior art The difference is that in the prior art always the drive winding 5 itself was used to measure the induced voltage. This known method is briefly outlined below:

Die Spannung wird von der Klemme des Elektromotors 1 zum Sternpunkt gemessen. Dazu muss der Sternpunkt des Elektromotors 1 entweder nach außen geführt oder mittels eines Widerstandsnetzwerkes in dem Steuergerät 10 nachgebildet werden.The voltage is from the terminal of the electric motor 1 measured to the star point. For this purpose, the star point of the electric motor 1 either led to the outside or by means of a resistor network in the control unit 10 be reproduced.

Geht man davon aus, dass - ohne Beschränkung der Allgemeinheit - Phase U stromlos geschaltet worden ist, so entspricht die Spannung zwischen Klemme U und dem Sternpunkt des Elektromotors 1 genau der Spannung, die durch das Permanentmagnetfeld in der Wicklung U induziert wird. Die Einflüsse der Ströme in den Phasen V und W auf diese Spannung löschen sich aufgrund von Symmetrieeigenschaften des Elektromotors 1 gegenseitig aus. Es gilt $U_{u} = | Ψ_{p m} | ω sin (φ),$

wobei Ψ_pm den Permanentmagnetfluss, ω die Drehgeschwindigkeit des Elektromotors 1 und φ den zu bestimmenden Winkel bezeichnet. Indem man den Nulldurchgang der Spannung Uu detektiert, lässt sich zweimal pro Umdrehung der Rotorwinkel φ bestimmen, nämlich bei 0° und 180°. Voraussetzung ist, dass das Signal Uu eine ausreichende Amplitude hat bzw. dass die Drehzahl ausreichend hoch ist - wie man an obiger Formel sehen kann. Entsprechend geht man mit den anderen Phasen vor und kann so 6-mal pro Umdrehung den Winkel aus der gemessenen Spannung bestimmen. Dazwischen interpoliert man z.B. im einfachsten Fall anhand der aktuellen Drehzahl.Assuming that - without restriction of generality - phase U has been switched off, the voltage between terminal corresponds U and the neutral point of the electric motor 1 exactly the voltage caused by the permanent magnetic field in the winding U is induced. The influences of the currents in the phases V and W to cancel this voltage due to symmetry properties of the electric motor 1 mutually exclusive. It applies

U_{u} = | Ψ_{p m} | ω sin (φ) .

where Ψ _pm the permanent magnet flux, ω the rotational speed of the electric motor 1 and φ denotes the angle to be determined. By detecting the zero crossing of the voltage Uu, the rotor angle φ can be determined twice per revolution, namely at 0 ° and 180 °. The condition is that the signal Uu has a sufficient amplitude or that the speed is sufficiently high - as you can see in the above formula. Accordingly, one proceeds with the other phases and can thus determine the angle of the measured voltage 6 times per revolution. In between, interpolating eg in the simplest case based on the current speed.

Um die entsprechende Phase zur Detektion des Nulldurchganges stromlos zu schalten gibt es u.a. die folgenden Möglichkeiten: (a) bei Sinusansteuerung des Elektromotors 1 prädiziert man den Zeitpunkt des nächsten Nulldurchganges und schaltet kurz vorher die Phase aus; (b) bei 120° Blockkommutierung ist ganz natürlich jede Phase für einen Teil der Motorumdrehung stromlos.In order to switch off the corresponding phase for detection of the zero crossing, there are, inter alia, the following possibilities: (a) with sinus control of the electric motor 1 one predicts the time of the next zero crossing and shuts off the phase shortly before; (b) at 120 ° block commutation, of course, each phase is de-energized for part of the motor revolution.

Bei Verwendung der über die Antriebswicklungen 5 gewickelten Hilfswicklung 6 kann man völlig analog vorgehen. Dazu wird die Hilfswicklung 6 ebenfalls zu einem Sternpunkt verschaltet. Es ergeben sich folgende Vorteile:

• Die Hilfswicklung 6 ist nicht mit der Leistungselektronik 11 verbunden. Es wird daher eine höhere Signalqualität bzw. weniger Störungen erwartet.
• Die Enden der Hilfswicklung 6 werden außerhalb des Elektromotors 1 bzw. in dem Steuergerät 10 zu einem Sternpunkt verschaltet. Das ist deutlich einfacher als den Sternpunkt des Elektromotors 1 nach außen zu führen oder den Sternpunkt durch ein Widerstandsnetzwerk nachzubilden.
• Um die Motordrehzahl, ab der eine zuverlässige Bestimmung des Winkels möglich ist, abzusenken, kann die Hilfswicklung 6 eine um Faktor N höhere Anzahl von Windungen pro Zahnelement 8 gegenüber der Antriebswicklung 5 erhalten. Damit wird die Spannung bei gleicher Drehzahl ebenfalls um Faktor N höher.

When using the over the drive windings 5 wound auxiliary winding 6 you can proceed completely analog. This is the auxiliary winding 6 also interconnected to a star point. There are the following advantages:

• The auxiliary winding 6 is not with the power electronics 11 connected. It is therefore expected a higher signal quality or less interference.
• The ends of the auxiliary winding 6 be outside the electric motor 1 or in the control unit 10 interconnected to a neutral point. This is much easier than the star point of the electric motor 1 lead to the outside or emulate the neutral point through a resistor network.
• To lower the engine speed from which a reliable determination of the angle is possible, the auxiliary winding can 6 one by one factor N higher number of turns per tooth element 8th opposite the drive winding 5 receive. Thus, the voltage at the same speed is also higher by a factor of N.

Alternativ kann die Abschätzung bzw. Bestimmung der Rotorlage des Rotors 2 auch basierend auf einer Berechnung der induzierten Spannung durchgeführt werden.Alternatively, the estimation of the rotor position of the rotor 2 also be performed based on a calculation of the induced voltage.

Auch hier wird zunächst das aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren unter Verwendung der Antriebswicklung 5 dargestellt und anschließend die mit der Hilfswicklung 6 auftretenden Unterschiede bzw. Vorteile aufgezeigt.Again, the method known from the prior art using the drive winding is first 5 and then the with the auxiliary winding 6 revealed differences or advantages.

Aus den Differentialgleichungen einer Synchronmaschine lässt sich durch Integration folgende Gleichung für den Vektor des Permanentmagnetflusses herleiten: ${\underline{ψ}}_{M}^{s} = \int ({\underline{u}}^{s} - R_{s} {\underline{i}}^{s}) d t - L_{s} {\underline{i}}^{s}$

wobei u^s die anliegende Spannung, i^s der Phasenstrom, R_S der Strangwiderstand und L_S die Induktivitätsmatrix bezeichnen. Diese Gleichung kann online ausgewertet werden, und aus der Richtung des Vektors

{\underline{ψ}}_{M}^{s}

ergibt sich schließlich der gesuchte Winkel des Rotors 2.From the differential equations of a synchronous machine, the following equation for the vector of the permanent magnet flux can be derived by integration:

{\underline{ψ}}_{M}^{s} = \int ({\underline{u}}^{s} - R_{s} {\underline{i}}^{s}) d t - L_{s} {\underline{i}}^{s}

where u ^{s is} the applied voltage, i ^s the phase current, R _s the strand resistance and L _s the inductance matrix. This equation can be evaluated online, and from the direction of the vector

{\underline{ψ}}_{M}^{s}

finally results in the sought angle of the rotor 2 ,

Diese Vorgehensweise kann in ähnlicher Weise mit der Hilfswicklung 6 angewandt werden. Die Spannung ist die an der Hilfswicklung 6 gemessene. Der Term, welcher den Spannungsabfall am Widerstand beschreibt, entfällt jedoch, weil in der Hilfswicklung 6 kein oder ein vernachlässigbar kleiner Strom fließt (hochohmiger Spannungsabgriff). Der letzte Term in der obigen Gleichung bleibt bestehen. Die Induktivitätsmatrix enthält jetzt allerdings die Koppelinduktivitäten, welche den Einfluss des Stromes in der jeweiligen Antriebswicklung auf die Spannung in der Hilfswicklung 6 beschreiben.This approach may be similar to the auxiliary winding 6 be applied. The voltage is at the auxiliary winding 6 measured. However, the term describing the voltage drop across the resistor is omitted because in the auxiliary winding 6 no or negligible current flows (high-impedance voltage tap). The last term in the above equation remains. However, the inductance matrix now contains the coupling inductances which determine the influence of the current in the respective drive winding on the voltage in the auxiliary winding 6 describe.

Der Hauptvorteil bei Verwendung der Hilfswicklung 6 besteht hier im Entfall des Terms für den ohmschen Spannungsabfall, da der Parameter Rs mit der Temperatur sowie ggf. der Frequenz bzw. der Drehzahl des Elektromotors 1 variiert und damit Unsicherheiten enthält, die die Qualität der Winkelberechnung beeinträchtigen können.The main advantage of using the auxiliary winding 6 here consists in the omission of the term for the ohmic voltage drop, since the parameter Rs with the temperature and possibly the frequency or the Speed of the electric motor 1 varies and thus contains uncertainties that may affect the quality of the angle calculation.

Ebenso ist ermöglicht, durch eine Messung, die sowohl an der Hilfswicklung 6 als auch an der Antriebswicklung 5 durchgeführt wird, den Term für den ohmschen Spannungsabfall zu isolieren, um somit den Parameter Rszu ermitteln. Daraus lässt sich vorteilhafterweise eine Temperatur der Antriebswicklung 5 ableiten, was auf einfache Art und Weise die Umsetzung eines Temperatursensors des Elektromotors 1 ermöglicht.Likewise it is possible, by a measurement, both on the auxiliary winding 6 as well as on the drive winding 5 is performed to isolate the term for the ohmic voltage drop, thus determining the parameter Rs. This advantageously allows a temperature of the drive winding 5 derive, in a simple way, the implementation of a temperature sensor of the electric motor 1 allows.

Der Elektromotor 1 ist beispielhaft mit einer Drehzahlregelung ausgestattet, wobei eine Drehzahl z.B. im Bereich von 10⁶ rpm (Umdrehungen pro Minute) liegen kann. Ein maximaler effektiver Phasenstrom beträgt mehrere hundert Ampere. Durch die Aufteilung in zwei parallele Spulen 12 pro Phase ergibt sich ein Strom beispielsweise zwischen 100 A und 200 A durch jede einzelne Spule 12.The electric motor 1 is exemplary equipped with a speed control, with a speed, for example, in the range of 10 ⁶ rpm (revolutions per minute) may be. A maximum effective phase current is several hundred amperes. By dividing into two parallel coils 12 For each phase, for example, a current is between 100 A and 200 A through each individual coil 12 ,

Die Antriebswicklung 5 umfasst bevorzugt einen Leiter mit einer Querschnittsfläche zwischen 1mm² und 100mm², z.B. zwischen10mm² und 40mm², z.B. 14mm². Beispielsweise ist auch ein Litzendraht mit 10 mm² Querschnittsfläche verwendbar. Eine Windungszahl pro Zahnelement 8 beträgt 10. Dahingehend beträgt ein Querschnitt des Leiters der Hilfsspule z.B. lediglich maximal 1,0mm² oder maximal 0,5mm², z.B. 0,14mm².The drive winding 5 preferably comprises a conductor with a cross sectional area between 1 mm ² and 100 mm ^2, for example zwischen10mm ² and 40mm ^2, for example 14mm. ² For example, a stranded wire with 10 mm ² cross-sectional area can be used. One number of turns per tooth element 8th is 10. To this end, a cross section of the conductor of the auxiliary coil, for example, only a maximum of 1.0mm ² or a maximum of 0.5mm ² , for example 0.14mm ² .

Die Hilfswicklung 6 ist vorteilhafterweise hochohmig ausgebildet und erlaubt keinen oder nur einen minimalen Stromfluss. Die Windungszahl der Hilfswicklung 6 ist z.B. größer oder gleich der Windungszahl der Antriebswicklung 5 pro Zahnelement 8. Beispielsweise können 10 Windungen bei der Antriebswicklung 5 und ebenfalls 10 Windungen für die Hilfswicklung 6 vorgesehen sein. Es können jedoch z.B. auch bei 10 Windungen der Antriebswicklung 5 wenigstens 20 Windungen der Hilfswicklung 6 oder wenigstens 50 Windungen oder sogar wenigstens 100 Windungen der Hilfswicklung 6 vorgesehen sein. Als Leiter für die Hilfswicklung 6 kann z.B. Kupferdrahtlack verwendet werden.The auxiliary winding 6 is advantageously formed high impedance and allows no or only a minimal flow of current. The number of turns of the auxiliary winding 6 Eg is greater than or equal to the number of turns of the drive winding 5 per tooth element 8th , For example, 10 turns in the drive winding 5 and also 10 turns for the auxiliary winding 6 be provided. However, for example, even with 10 turns of the drive winding 5 at least 20 turns of the auxiliary winding 6 or at least 50 turns or even at least 100 turns of the auxiliary winding 6 be provided. As conductor for the auxiliary winding 6 For example, copper wire enamel can be used.

Die Hilfswicklung 6 ist vorteilhafterweise von der Antriebswicklung 5 galvanisch getrennt. Insbesondere ist somit erreicht, dass Störgrößen der Antriebswicklung 5 eine Messung der induzierten Spannung mittels der Hilfswicklung 6 nicht beeinflussen. Des Weiteren ist in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass die Hilfswicklungen 6 allesamt einen Abstand von 60° aufweisen. Es ist vorgesehen, dass in Umlaufrichtung UM zumindest ein Abstand von wenigstens 5° oder wenigstens 15° besteht.The auxiliary winding 6 is advantageously from the drive winding 5 galvanically isolated. In particular, it is thus achieved that disturbance variables of the drive winding 5 a measurement of the induced voltage by means of the auxiliary winding 6 do not influence. Furthermore, it is provided in the described embodiment that the auxiliary windings 6 all at a distance of 60 °. It is intended that in the direction of rotation AROUND at least a distance of at least 5 ° or at least 15 ° exists.

In 1 ist außerdem gezeigt, dass eine strikte Aufgabentrennung zwischen Hilfswicklung 6 und Antriebswicklung 5 besteht. So ist die Antriebswicklung 5 mit der Leistungselektronik 11 verbunden, während die Hilfswicklung 6 mit der Spannungsmessvorrichtung 7 verbunden ist. Ein Antrieb des Elektromotors 1 über die Hilfswicklungen 6 ist nicht vorgesehen. Ebenso ist im dargestellten Ausführungsbeispiel auch eine Messung der induzierten Spannung über die Antriebswicklung 5 nicht vorgesehen.In 1 is also shown that a strict separation of tasks between auxiliary winding 6 and drive winding 5 consists. This is the drive winding 5 with the power electronics 11 connected while the auxiliary winding 6 with the voltage measuring device 7 connected is. A drive of the electric motor 1 over the auxiliary windings 6 is not scheduled. Likewise, in the illustrated embodiment, a measurement of the induced voltage across the drive winding 5 not provided.

Grundsätzlich kann - wie oben beschrieben - die Abschätzung bzw. Bestimmung der Rotorlage jedoch auch durch die Erfassung bzw. Messung der induzierten Spannungen an der Hilfswicklung 6 und an der Antriebswicklung 5 erfolgen.Basically, however, as described above, the estimation or determination of the rotor position can also be achieved by the detection or measurement of the induced voltages on the auxiliary winding 6 and on the drive winding 5 respectively.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 10357504 A1 [0003]
DE 10036413 A1 [0005]

Claims

Electric motor (1), in particular electronically commutated motor, comprising a rotor (2) and a stator (3), wherein the rotor (2) and / or stator (3) has a base body (4) which is provided with at least one drive winding (5) for driving the rotor (2), wherein the rotor (2) and / or stator (3) next to the drive winding (5) has at least one of the drive winding (5) independent auxiliary winding (6), and wherein the auxiliary winding (6) is provided for measuring an induced voltage.

Electric motor (1) after Claim 1 , wherein the auxiliary winding (6) is galvanically isolated from the drive winding (5).

Electric motor (1) according to one of the preceding claims, wherein at least two auxiliary windings (6) on the stator (3) are provided, and wherein adjacent auxiliary windings (6) in the circumferential direction viewed at least 5 "or at least 15 ° apart.

Electric motor (1) according to one of the preceding claims, wherein the rotor is driven exclusively by the drive winding (5).

Electric motor (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the base body (4) has a plurality of toothed elements (8) for receiving the drive winding (5) and a yoke element (9) for annularly connecting the toothed elements (8), wherein each auxiliary winding (6) is attached either to the toothed element (8) or to the yoke element (9).

Electric motor (1) according to one of the preceding claims, characterized in that all the auxiliary windings (6) are located either on the toothed element (8) or on the yoke element (9).

Electric motor (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the auxiliary winding (6) at a same location as at least part of the drive winding (5) on the base body (4) is mounted, wherein the auxiliary winding (6) in particular over the Drive winding (5) is mounted.

Electric motor (1) according to one of the preceding claims, characterized in that a line cross section of the auxiliary winding (6) is smaller than a line cross section of the drive winding (5), wherein preferably the line cross section of the auxiliary winding (6) a maximum of 50%, in particular a maximum of 20% or a maximum of 3% of the line cross-section of the drive winding (5).

Electric motor (1) according to one of the preceding claims, characterized in that a number of turns of the auxiliary winding (6) is greater than or equal to a number of turns of the drive winding (5) or wherein the number of turns of the auxiliary winding (6) is greater by at least a factor of 5 the number of turns of the drive winding (5) or wherein the number of turns of the auxiliary winding (6) at least by a factor of 10 is greater than the number of turns of the drive winding (5).

System (13) comprising an electric motor (1) according to any one of the preceding claims and a control device (10) for determining a position of the rotor (2) based on a in the auxiliary winding (6) of the electric motor (1) induced electrical voltage.

System (13) after Claim 10 , characterized in that the control device (10) is designed to switch the drive winding (5) at least partially de-energized while measuring a voltage induced in the auxiliary winding (6).

System (13) after Claim 10 or 11 , characterized by a voltage measuring device (7) for measuring an electrical voltage on the auxiliary winding (6), wherein the voltage measuring device (7) is formed in particular high impedance.

System (13) according to one of Claims 10 to 12 , characterized in that the control unit (10) is adapted to determine a temperature within the electric motor (1) on the basis of a comparison of a voltage induced in the auxiliary winding (5) and a voltage measurable at the non-current-connected drive winding (6).